CN112798707B - 一种矿用监测设备及采空区气体监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿用监测设备及采空区气体监测方法，包括气相色谱仪、井下气体传输机构和气路切换机构。本发明公开的一种矿用监测设备及采空区气体监测方法，可以对采空区中的气体进行实地监测，通过气路切换机构可以实现自动切换气路，以供气相色谱仪对每个监测点中的气体进行分析，通过布置压差测量仪，可以对两个监测点的压差或能位进行监测，操作方便，可以为采空区漏风与遗煤自燃研究提供较为准确的监测结果。
Description
技术领域
本发明涉及矿山通风安全领域，尤其涉及一种矿用监测设备及采空区气体监测方法。
背景技术
工作面开采过程中，液压支架后方的顶板冒落形成多孔介质的采空区。由于风流在工作面下隅角发生90度直角拐弯，受惯性影响，部分风流进入采空区会形成漏风。受工作面能位或气压差的分布的影响，采空区漏风会从工作面上隅角再次进入巷道空间。此时，漏风携带采空区有害气体一起进入巷道空间，威胁工作面生产安全。与此同时，采空区的风流为采空区遗煤氧化创造了条件，形成了采空区自燃的安全隐患。采空区内气体成分和浓度，以及促成漏风的能量大小如何是确定采空区危险性的主要研究内容。
目前工作面采空区漏风研究主要采用理论分析、数值模拟、相似模拟和现场实测方法，其中现场实测是最为真实可靠的方法得到广泛的应用，一般采用示踪气体进行探测。但是示踪气体探测的关键在于探测时机、释放点布置和气样采集点的布置，往往难以得到有效结果。
有鉴于此，提供一种能够对采空区现场实测的监测设备及采空区气体监测方法成为必要。
发明内容
本发明技术方案提供一种矿用监测设备，包括气相色谱仪、井下气体传输机构和气路切换机构；
所述井下气体传输机构包括保护管、设置在所述保护管上的多个进气头和处于所述保护管内的多条气体输送管，其中每个所述进气头与一条所述气体输送管连接；
所述气路切换机构包括有具有排气口的箱体、设置在所述箱体中的固定盘、设置在所述箱体中的转动盘和设置在所述箱体中且用于驱动所述转动盘转动的驱动机构；
所述固定盘上设置有多个固定盘通气孔，每条所述气体输送管与一个所述固定盘通气孔连接；
所述转动盘上设置有一个转动盘通气孔和多个转动盘排气孔；
其中，当所述转动盘通气孔与其中一个固定盘通气孔对接连通时，其余的每个所述固定盘通气孔都分别与一个所述转动盘排气孔对接连通；
所述转动盘的转动盘转轴上设置有转轴气道，所述转动盘中设置有连通所述转轴气道与所述转动盘通气孔的转动盘气道；
所述转动盘转轴的端部设置有密封端盖，所述气相色谱仪通过第一通气管道与转轴气道连通，所述第一通气管道上具有第一阀门。
进一步地，所述转动盘通气孔和每个所述转动盘排气孔上都设置有能够与所述固定盘通气孔对接和分离的伸缩对接装置。
进一步地，所述伸缩对接装置包括固定安装在所述转动盘上固定套筒和与所述固定套筒滑动连接的滑动套筒；
所述固定套筒与所述滑动套筒之间设置有用于驱动所述滑动套筒伸缩的活塞。
进一步地，所述驱动机构包括步进电机和传动齿轮；
所述传动齿轮的齿轮转轴通过支架安装在所述箱体中；
所述步进电机的输出轴与所述齿轮转轴连接；
所述转动盘的外周面上设置有转动盘齿轮，所述转动盘齿轮与所述传动齿轮啮合。
进一步地，所述保护管包括有用于布置在巷道中的主管和用于放置在采空区中的副管，所述副管与所述主管连接呈L形；
所述进气头安装在所述副管上。
进一步地，所述进气头包括有进气端和与所述进气端连接的连接端；
所述连接端处于所述副管中，所述气体输送管与所述连接端连接；
所述进气端处于所述副管的外侧，所述进气端上设置有多个进气口。
进一步地，所述进气端呈球形。
进一步地，所述矿用监测设备包括两套井下气体传输机构、两套气路切换机构和一台压差测量仪；
每套所述气路切换机构都配置在所述气相色谱仪与一套所述井下气体传输机构之间；
所述气相色谱仪通过两条所述第一通气管道与两套所述气路切换机构中的转轴气道连通；
所述压差测量仪的两个气体输入端分别通过一条第二通气管道与两套所述气路切换机构中的转轴气道连通，所述第二通气管道上设置有第二阀门。
本发明技术方案还提供一种采空区气体监测方法，采用前述任一技术方案所述的矿用监测设备，其包括如下步骤：
S01：预先布置好气相色谱仪、井下气体传输机构和气路切换机构，使得进气头处于采空区中；
S02：每天定时对每个进气头传输来的气体都通过气相色谱仪进行监测分析，通过驱动机构驱动转动盘转动以实现气路切换；
S03：气相色谱仪将气体数据传输给控制处理设备，控制处理设备对每个进气头每天的气体数据进行处理和存储。
进一步地，采空区气体监测方法还包括如下步骤：
每天都定时通过压差测量仪来监测两套气路切换机构中两个进气头传来的气体的气压差，并将气压差传输给控制处理设备，控制处理设备对每两个进气头每天的气压差进行处理和存储。
采用上述技术方案，具有如下有益效果：
本发明提供的矿用监测设备及采空区气体监测方法，可以对采空区中的气体进行实地监测，通过气路切换机构可以实现自动切换气路，以供气相色谱仪对每个监测点中的气体进行分析，通过布置压差测量仪，可以对两个监测点的压差或能位进行监测，操作方便，可以为采空区漏风与遗煤自燃研究提供较为准确的监测结果。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的矿用监测设备的示意图；
图2为进气头与副管连接的示意图；
图3为进气头的进气端呈球形的示意图；
图4为气路切换机构处于断开时的示意图；
图5为气路切换机构处于接通时的示意图；
图6为转动盘转轴与密封端盖的剖视图；
图7为伸缩对接装置的结构示意图；
图8为固定盘上设置有多个固定盘通孔的示意图；
图9为转动盘上的转动盘齿轮与传动齿轮啮合的示意图；
图10为转动盘沿着转动盘气道的剖视图；
图11为控制处理设备、气相色谱仪、压差测量仪、活塞及步进电机的通信连接示意图；
图12为采用矿用监测设备对采空区进行气体监测的示意图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1-12所示，本发明一实施例提供的矿用监测设备，包括气相色谱仪1、井下气体传输机构2和气路切换机构3。
井下气体传输机构2包括保护管21、设置在保护管21上的多个进气头22和处于保护管21内的多条气体输送管23，其中每个进气头22与一条气体输送管23连接。
气路切换机构3包括有具有排气口311的箱体31、设置在箱体31中的固定盘32、设置在箱体31中的转动盘33和设置在箱体31中且用于驱动转动盘33转动的驱动机构36。
固定盘32上设置有多个固定盘通气孔321，每条气体输送管23与一个固定盘通气孔321连接。
转动盘33上设置有一个转动盘通气孔331和多个转动盘排气孔332。
其中，当转动盘通气孔331与其中一个固定盘通气孔321对接连通时，其余的每个固定盘通气孔321都分别与一个转动盘排气孔332对接连通。
转动盘33的转动盘转轴34上设置有转轴气道341，转动盘33中设置有连通转轴气道341与转动盘通气孔331的转动盘气道333。
转动盘转轴34的端部设置有密封端盖35，气相色谱仪1通过第一通气管道11与转轴气道341连通，第一通气管道11上具有第一阀门12。
本发明实施例提供的矿用监测设备主要用于对采空区中的气体进行监测及分析。
矿用监测设备包括有气相色谱仪1、井下气体传输机构2和气路切换机构3。
气相色谱仪1是利用色谱分离技术和检测技术，对多组分的复杂混合物进行定性和定量分析的仪器。
井下气体传输机构2用于布置在工作面100两侧的回风巷道101和/或运输巷道102中，以向采空区200延伸，使得进气头22可以布置在采空区200中收集气体。
井下气体传输机构2包括有保护管21、多个进气头22和多条气体输送管23。
保护管21为金属管，起到保护作用。多个进气头22间隔地安装在保护管21上，多条气体输送管23处于保护管21中，每个进气头22与一条气体输送管23连接，使得各个监测点的进气头22的气体相互独立传输。
气路切换机构3布置在气相色谱仪1与井下气体传输机构2之间，用于实现气路切换，使得每次仅有一个进气头22的气体传输给气相色谱仪1进行分析。
气路切换机构3包括有箱体31、固定盘32、转动盘33和驱动机构36。
箱体31中具有空腔，箱体31上具有与空腔连通的排气口311。
固定盘32固定安装在箱体31中，固定盘32上具有多个贯通的固定盘通气孔321。多个固定盘通气孔321沿着周向均布在固定盘32上。
固定盘通气孔321的数量与进气头22的数量对应，每个进气头22通过一条气体输送管23与一个固定盘通气孔321连接，每个进气头22收集的气体可经一个固定盘通气孔321向气相色谱仪1提供。
转动盘33处于箱体31中，转动盘33的转动盘转轴34可转动地安装在箱体31上，转动盘转轴34的一端伸出于箱体31的外侧。转动盘33与转动盘转轴34一体转动。转动盘转轴34可通过轴承安装在箱体31上。
转动盘33上具有一个转动盘通气孔331和多个转动盘排气孔332。一个转动盘通气孔331和多个转动盘排气孔332沿着周向均布在转动盘33上。
转动盘通气孔331及转动盘排气孔332数量与固定盘通气孔321的数量相等。
转动盘通气孔331为设置在转动盘33上的盲孔。转动盘排气孔332贯通转动盘33，其与箱体31的空腔连通。
转动盘33中具有转动盘气道333，转动盘转轴34中具有转轴气道341。转动盘气道333连通在转动盘通气孔331与转轴气道341之间。转动盘转轴34朝向固定盘32的一端为密封端，其处于箱体31外侧的一端设置有密封端盖35，密封端盖35上设置有第一接头351。气相色谱仪1通过第一通气管道11与第一接头351连接。
驱动机构36处于箱体31中，其输出端与转动盘33或转动盘转轴34连接，用于驱动转动盘33转动。
驱动机构36每次驱动都会带动转动盘33转过角度α。假如，固定盘通气孔321的数量为n，n为≥3的自然数，则α＝360°/n。固定盘32与转动盘33同轴布置。固定盘通气孔321、转动盘通气孔331及转动盘排气孔332的半径相等，半径都为r。固定盘通气孔321的中心与固定盘32的中心之间的距离、转动盘通气孔331的中心与转动盘33的中心之间的距离及转动盘排气孔332的中心与转动盘33的中心之间的距离分别相等，距离分别为R。
每当驱动机构36驱动一次，转动盘通气孔331与其中一个固定盘通气孔321对接连通，其余的每个固定盘通气孔321都分别与一个转动盘排气孔332对接连通。每次只有一个进气头22收集的气体经气体输送管23、固定盘通气孔321、转动盘气道333、转轴气道341和第一通气管道11提供给气相色谱仪1进行分析。其余的进气头22收集的气体经相应的气体输送管23、固定盘通气孔321、转动盘排气孔332和排气口311排出。
气相色谱仪1可以将气体分析的数据传输给控制处理设备5进行处理和存储。控制处理设备5可以为计算机。根据需要，可以在控制处理设备5中预设氧气含量的警戒值，当从气相色谱仪1传来的数据，其氧气含量超过警戒值时，则向施工人员发出警示，包括信息警示和声音警示等，表示采空区具有煤炭自燃的风险，需要对采空区进行防漏风作业和开始防灭火准备工作。
驱动机构36可以通过控制处理设备5进行控制，驱动机构36中具有控制器，控制处理设备5与驱动机构36中的控制器通信连接，可以根据用户设定向控制器发出信号，驱动机构36自动驱动转动盘33转动，实现气路切换，无需人工切换气路，方便操作。
密封端盖35与转动盘转轴34的端部之间设置有密封环或密封圈，密封端盖35可以相对于转动盘转轴34转动，在转动盘转轴34与转动盘33一体转动时，密封端盖35可以保持不转动，从而其上面的第一接头351也不转动，第一通气管道11不需要随着转动盘33转动，方便管道的连接。
在其中一个实施例中，如图4-5所示，转动盘通气孔331和每个转动盘排气孔332上都设置有能够与固定盘通气孔321对接和分离的伸缩对接装置37。
通过设置伸缩对接装置37可以确保转动盘通气孔331和转动盘排气孔332都能够与固定盘通气孔321对接。伸缩对接装置37可以通过控制处理设备5控制实现自动控制。
在其中一个实施例中，如图7所示，伸缩对接装置37包括固定安装在转动盘33上固定套筒371和与固定套筒371滑动连接的滑动套筒372。
固定套筒371与滑动套筒372之间设置有用于驱动滑动套筒372伸缩的活塞373。
根据需要，可以在滑动套筒372的端部设置密封圈以对固定盘通气孔321密封对接。
每个活塞373都具有控制器，控制处理设备5与活塞373中的控制器通信连接，可以根据用户设定向控制器发出信号，活塞373自动驱动滑动套筒372伸缩，无需人工对接分离操作，方便操作。
在其中一个实施例中，如图4-5和图9-10所示，驱动机构36包括步进电机361和传动齿轮362。
传动齿轮362的齿轮转轴363通过支架364安装在箱体31中。
步进电机361的输出轴与齿轮转轴363连接。
转动盘33的外周面上设置有转动盘齿轮334，转动盘齿轮334与传动齿轮362啮合。
传动齿轮362与转动盘齿轮334的传动比为K，可以根据实际需要，预先设定步进电机361每次转动的角度为α/K，确保步进电机361每转动依次使得转动盘33转动α。
在其中一个实施例中，如图1-2所示，保护管21包括有用于布置在巷道中的主管211和用于放置在采空区200中的副管212，副管212与主管211连接呈L形。进气头22安装在副管212上。
主管211用于布置在巷道中，例如布置在回风巷道101和/或运输巷道102中。副管212用于布置在采空区200中。副管212与主管211一体成型为L形，进气头22安装在副管212上，方便布置和对采空区200中的气体进行收集。
可以根据实际监测点的位置，预先在副管212上设置好各进气头22的位置。
在其中一个实施例中，如图2-3所示，进气头22包括有进气端221和与进气端221连接的连接端222。连接端222处于副管212中，气体输送管23与连接端222连接。进气端221处于副管212的外侧，进气端221上设置有多个进气口223。
根据需要，可以在进气口223上设置滤网，避免杂物进入。
在其中一个实施例中，如图3所示，进气端222呈球形，结构强度高，可以布置的进气口223多，例如采集采空区200中的气体。
在其中一个实施例中，如图1所示，矿用监测设备包括两套井下气体传输机构2、两套气路切换机构3和一台压差测量仪4。
每套气路切换机构3都配置在气相色谱仪1与一套井下气体传输机构2之间。
气相色谱仪1通过两条第一通气管道11与两套气路切换机构3中的转轴气道341连通。
压差测量仪4的两个气体输入端40分别通过一条第二通气管道41与两套气路切换机构3中的转轴气道341连通，第二通气管道41上设置有第二阀门42。
本实施例中，通过压差测量仪4可以测出两套井下气体传输机构2中的每两个监测点处的气压差，以供操作人员了解采空区的气压或能位分布。压差测量仪4可以将每两个监测点处的气压差传输给控制处理设备5进行处理和存储。
根据需要，可以在控制处理设备5中预设有气压差的临界值，当从压差测量仪4传来的数据，其中两个或多个监测点之间的气压差超过临界值时，则向施工人员发出警示，包括信息警示和声音警示等，表示需要对采空区进行防漏风作业。
本发明实施例提供的一种采空区气体监测方法，采用前述任一实施例的矿用监测设备，其包括如下步骤：
S01：预先布置好气相色谱仪1、井下气体传输机构2和气路切换机构3，使得进气头22处于采空区200中。
S02：每天定时对每个进气头22传输来的气体都通过气相色谱仪1进行监测分析，通过驱动机构36驱动转动盘33转动以实现气路切换。
S03：气相色谱仪1将气体数据传输给控制处理设备5，控制处理设备5对每个进气头22每天的气体数据进行处理和存储。
在控制处理设备5中预设有氧气含量的警戒值，当从气相色谱仪1传来的数据，其氧气含量超过警戒值时，则向施工人员发出警示，包括信息警示和声音警示等，表示采空区具有煤炭自燃的风险，需要对采空区进行防漏风作业和开始防灭火准备工作。
在其中一个实施例中，采空区气体监测方法还包括如下步骤：
每天都定时通过压差测量仪4来监测两套气路切换机构2中两个进气头22传来的气体的气压差，并将气压差传输给控制处理设备5，控制处理设备5对每两个进气头22每天的气压差进行处理和存储。
在控制处理设备5中预设有气压差的临界值，当从压差测量仪4传来的数据，其中两个或多个监测点之间的气压差超过临界值时，则向施工人员发出警示，包括信息警示和声音警示等，表示需要对采空区进行防漏风作业。
根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。
以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种矿用监测设备，其特征在于，包括气相色谱仪、井下气体传输机构和气路切换机构；
所述井下气体传输机构包括保护管、设置在所述保护管上的多个进气头和处于所述保护管内的多条气体输送管，其中每个所述进气头与一条所述气体输送管连接；
所述气路切换机构包括有具有排气口的箱体、设置在所述箱体中的固定盘、设置在所述箱体中的转动盘和设置在所述箱体中且用于驱动所述转动盘转动的驱动机构；
所述固定盘上设置有多个固定盘通气孔，每条所述气体输送管与一个所述固定盘通气孔连接；
所述转动盘上设置有一个转动盘通气孔和多个转动盘排气孔；
其中，当所述转动盘通气孔与其中一个固定盘通气孔对接连通时，其余的每个所述固定盘通气孔都分别与一个所述转动盘排气孔对接连通；
所述转动盘的转动盘转轴上设置有转轴气道，所述转动盘中设置有连通所述转轴气道与所述转动盘通气孔的转动盘气道；
所述转动盘转轴的端部设置有密封端盖，所述气相色谱仪通过第一通气管道与转轴气道连通，所述第一通气管道上具有第一阀门；
所述矿用监测设备包括两套井下气体传输机构、两套气路切换机构和一台压差测量仪；
每套所述气路切换机构都配置在所述气相色谱仪与一套所述井下气体传输机构之间；
所述气相色谱仪通过两条所述第一通气管道与两套所述气路切换机构中的转轴气道连通；
所述压差测量仪的两个气体输入端分别通过一条第二通气管道与两套所述气路切换机构中的转轴气道连通，所述第二通气管道上设置有第二阀门。
2.根据权利要求1所述的矿用监测设备，其特征在于，所述转动盘通气孔和每个所述转动盘排气孔上都设置有能够与所述固定盘通气孔对接和分离的伸缩对接装置。
3.根据权利要求2所述的矿用监测设备，其特征在于，所述伸缩对接装置包括固定安装在所述转动盘上固定套筒和与所述固定套筒滑动连接的滑动套筒；
所述固定套筒与所述滑动套筒之间设置有用于驱动所述滑动套筒伸缩的活塞。
4.根据权利要求1所述的矿用监测设备，其特征在于，所述驱动机构包括步进电机和传动齿轮；
所述传动齿轮的齿轮转轴通过支架安装在所述箱体中；
所述步进电机的输出轴与所述齿轮转轴连接；
所述转动盘的外周面上设置有转动盘齿轮，所述转动盘齿轮与所述传动齿轮啮合。
5.根据权利要求1所述的矿用监测设备，其特征在于，所述保护管包括有用于布置在巷道中的主管和用于放置在采空区中的副管，所述副管与所述主管连接呈L形；
所述进气头安装在所述副管上。
6.根据权利要求5所述的矿用监测设备，其特征在于，所述进气头包括有进气端和与所述进气端连接的连接端；
所述连接端处于所述副管中，所述气体输送管与所述连接端连接；
所述进气端处于所述副管的外侧，所述进气端上设置有多个进气口。
7.根据权利要求6所述的矿用监测设备，其特征在于，所述进气端呈球形。
8.一种采空区气体监测方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的矿用监测设备，其包括如下步骤：
S01：预先布置好气相色谱仪、井下气体传输机构和气路切换机构，使得进气头处于采空区中；
S02：每天定时对每个进气头传输来的气体都通过气相色谱仪进行监测分析，通过驱动机构驱动转动盘转动以实现气路切换；
S03：气相色谱仪将气体数据传输给控制处理设备，控制处理设备对每个进气头每天的气体数据进行处理和存储。
9.根据权利要求8所述的采空区气体监测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
每天都定时通过压差测量仪来监测两套气路切换机构中两个进气头传来的气体的气压差，并将气压差传输给控制处理设备，控制处理设备对每两个进气头每天的气压差进行处理和存储。
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